作为柔性和可穿戴电子产品的关键角色，应力/应变传感器可以将外部物理刺激转换为电信号，但是，必须具有低杨氏模量和大GF值，以监测细微的皮肤运动，高拉伸能力以适应多尺度变形，以及极强的耐久性，以适应人体运动引起的动态变形。目前，商用应力/应变传感器具有脆性，在磨损设备中的效果并不好。因此，将先进的导电纳米材料与可拉伸的支撑基板结合，是一种获得可拉伸的柔性应变传感器导体的通用方法。然而，昂贵的导电纳米材料的消耗很大程度上阻碍了这种应变传感器的推广。
近日，江南大学刘天西教授、黄云鹏副教授课题组与英国伦敦大学学院（University College London）的Ivan P. Parkin教授合作，通过将炭黑/碳纳米管(CB/CNT)复合材料均匀锚定在高弹性、低杨氏模量、透气透湿的静电纺SEBS非织造布上，然后在导电层顶部均匀喷涂全氟辛基三乙氧基硅烷改性的 TiO2 纳米颗粒(PFOTES-TiO2 NPs)，成功地构筑了一种超可拉伸、具备优异健康监测性能和出色自清洁能力的织物基表皮电极。弹性纤维上的自适应CB/CNT导电网络在超高变形(>10次拉伸)下能够实现高效的电荷转移，而最外层的PFOTES-TiO2 NPs层具有良好的层间粘附性，提供了微拓扑结构和较低的表面能。
因此，用于皮肤贴附生物电极的导电纺织品在个人健康监测中表现出了卓越的性能，包括超宽的检测范围为1050.0%，可穿戴式应变传感器的极高GF值高达1134.7，以及出色的心电检测能力。此外，生物电极还具有良好的防污性能和抗各种腐蚀性流体甚至严重机械损伤的能力，确保了其在恶劣环境下的长期运行稳定性。因此，本研究为实现高性能纺织生物电子学提供了一个新的思路。相关研究成果以“Ultra-stretchable and superhydrophobic textile-based bioelectrodes for robust self-cleaning and personal health monitoring”为题目发表于期刊《 Nano Energy》上。
图1 超可拉伸和超疏水纺织生物电极的制备过程示意图。
图2 (A)超疏水性PTCCS无纺布上的水、HCl (1 M)溶液、NaOH (1 M)溶液、咖啡、可乐、果汁、牛奶和墨滴的照片，(B)它们对应的WCA。(C) PTCCS 在从 0% 增加到 300% 的应变下的 WCA。(D) PTCCS 超疏水性的耐磨性测试 50 个循环。机械损伤对 PTCCS 超疏水性的影响：（E）手擦和（F）刀划。(G) PTCCS 纺织品的自清洁测试。(H) PTCCS 超疏水表面示意图。(I) 水滴在水平放置的 PTCCS 非织造织物上弹跳。
图 3. 人体运动检测测试：(A) 手腕脉搏，(B) 心跳，(C) 呼吸（戴在面罩上），(D) 吞咽和饮水，(E) 发声：碳、应变和化学，( F) 手指弯曲 30°、60° 和 90°，(G) 肘部弯曲，(H) 膝盖弯曲，和 (I) 手指在水下弯曲。
图 4. (A) 基于 PTCCS 的心电信号管理电路示意图，具有数据采集、信号处理和无线传输四个部分。(B) 通过蓝牙连接在手机上显示实时心电图信号。(C) 商用凝胶电极和 PTCCS 电极的数码照片。运动前和运动后 (E) 两个电极 (D) 测量的心电图信号。(F, G) 用于测量二头肌生物电的 EMG 装置的示意图和照片，以及 (H) 获得的握紧、肘部抬起和前臂旋后的 EMG 信号。
小结：通过可拉伸CB/CNT导电网络与最外层超疏水PFOTES-TiO2 NPs的协同组合，制备了一种具有自清洁能力和超高拉伸能力的低成本非织造PTCCS纺织基生物电极。CB/CNT混合导电网络牢固地锚定在纤维表面，通过两种纳米粒子的协同贡献，在超高变形下促进有效的电荷转移，从而同步产生宽工作范围（1050.0%）、高GF值（1134.7 )、超低传感极限 (0.18%)，以及在用作可穿戴应变传感器时实时监测各种人类活动的出色能力。
作为生理电传感器，PTCCS纺织生物电极在记录心电和肌电信号时也表现出了显著的检测性能。此外，PFOTES-TiO2 NPs 提供的低表面能与分级纳米微结构相结合，使织物导体的表面保持在 Cassie 状态，即使在手指擦拭、刀刮和砂纸磨损后也具有强大的防水性，最重要的是，在潮湿和腐蚀性环境下也具有良好的传感能力。考虑到纺织生物电极的多样化功能和卓越的性能，这项工作可能为制造具有恶劣环境适应性的皮肤贴附健康监测电子产品提供新思路。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107160
